InfoPhysik
Die Physik
der realen und virtuellen Welten
Ergänzende Materialien für
Studierende
Modul 1: 1. Semester im Online-Bachelor-Studiengang Medieninformatik.
Modul 2: 2. Semester im Online-Bachelor-Studiengang Medieninformatik.
Jedes Modul hat 5 Leistungspunkte (Credit Points: ECTS) = 150 h Arbeitszeit
Die Informatik als eigenständige Wissenschaft basiert auf Erkenntnissen der Mathematik/ Logik, der Naturwissenschaft und dem Einsatz technischer Systeme, die aus den genannten Wissenschaftsbereichen hervorgegangen sind. Deshalb fordert die Gesellschaft für Informatik in ihren Empfehlungen zu den Informatikstudiengängen, dass ausreichend Grundlagen im mathematischen, naturwissenschaftlichen und technischen Bereich vermittelt werden: 18-21% in einem Bachelor-Studiengang (ca. 30 credits) und 17-22% als fachübergreifende Vertiefungen im Masterstudiengang. Die fachübergreifenden Vertiefungen enthalten neben den bereits genannten Wissenschaften auch BWL, Recht und Sprachen.
Warum InfoPhysik?
Die gesamte Hardware der Informatik ist nur zu verstehen,
wenn man die ihr zugrunde liegenden physikalischen Gesetze kennt –
von den Halbleiterbauteilen bis hin zu den Massenspeichern. Schon bei
den Halbleiterbauteilen spielt die Quantenphysik eine große Rolle
und in Zukunft werden die Quantencomputer auch die Software der Informatik
revolutionieren. In diesem Zusammenhang bekommt auch der Begriff «Information»
eine neue und weitreichende Bedeutung. Die Informatik – als Wissenschaft
vom Umgang mit Information – wird sich auch im Bereich der Software
auf neue Herausforderungen einstellen müssen: Quantencomputer brauchen
neue Algorithmen!
Ein zweiter Aspekt – neben der neuen Bedeutung der Information – kommt in dem Begriff InfoPhysik zum Ausdruck: Auch in der Software müssen häufig reale physikalische Gegebenheiten adäquat berücksichtigt werden, so auch wenn man virtuelle Welten im Computer realisieren möchte. Deshalb enthalten die InfoPhysik-Module Lerneinheiten, mit denen Fähigkeiten zur Erstellung dreidimensionaler virtueller Welten im Computer vermittelt werden. Außerdem werden diese Techniken auch benutzt, um physikalische Sachverhalte in interaktiven Simulationen darzustellen.
Nach dem Studium der Lernmodule zur InfoPhysik haben
die Studierenden der (Medien-)Informatik physikalisches Grundlagenwissen
erworben. Sie verstehen die Rolle der Physik als Basis aller Naturwissenschaften
und als Grundlage der Technik und haben eine naturwissenschaftlich-logische
Denkweise und wissenschaftliches Vorgehen erlernt. Damit haben sie einen
Zugang zum naturwissenschaftlichen Weltbild, auf dem unsere Gesellschaft
und insbesondere auch die Informatik beruht, erworben.
Im Hinblick auf ihr spezielles Fachgebiet kennen die Studierenden wichtige
physikalische Gesetze, um damit die wahrgenommene Realität beschreiben
und virtuelle Realitäten gestalten zu können. Gerade der letzte
Aspekt stellt ein Novum dar: die Verbindung von physikalischen Gesetzmäßigkeiten
der Alltagsrealität, angewandt bei der Erschaffung dreidimensionaler
virtueller Welten im Computer.
Ferner kennen sie begriffliche und theoretische Grundlagen und Zusammenhänge,
um übergreifende fachliche Problemstellungen zu verstehen und um
neuere technische Entwicklungen einordnen, verfolgen und mitgestalten
zu können. Insbesondere wird eine Verbindung zwischen grundlegenden
physikalischen Zusammenhängen und ihrer Anwendung in der Welt der
Medien, Technik und Informatik hergestellt. Hierdurch sind die Studierenden
ihren späteren Aufgaben gewachsen und können sich den schnell
wandelnden Anforderungen ihres Berufsfeldes stellen.
| Rot: | Kapitel |
| Grün: | Unterkapitel |
| Blau: | Lerneinheiten |
| Schwarz: | Lernobjekte |
1 Einführung |
15 h |
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Allgemeines
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1.1 Physik und Naturwissenschaft |
1 h |
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1.1.1 Klassische Physik 1.1.2 Moderne Physik 1.1.3 Wissenschaft 1.1.4 Physikal. Größen und Einheiten |
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1.2 Mathematische Grundlagen |
2 h |
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1.2.1 Differenzieren 1.2.2 Integrieren 1.2.3 Winkeldarstellung im Bogenmaß 1.2.4 Vektorrechnung |
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1.3 Information |
1 h |
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1.3.1 Daten und Nachrichten 1.3.2 Kommunikation 1.3.3 Informatik 1.3.4 Medien |
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Virtuelle
Realität
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1.4 Einführung in Virtuelle Realität |
1 h |
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1.4.1 Allgemeines 1.4.2 Interaktivität 1.4.3 Beispiele 1.4.4 Grenzen |
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1.5 3D-Welten |
1 h |
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1.5.1 Mensch-Maschine-Schnittstelle 1.5.2 Immersive Systeme |
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1.6 VRML-Grundlagen |
9 h |
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1.6.1 Start 1.6.2 Beispiel Würfel 1.6.3 Aufbau einer 3D-Szene 1.6.4 Beispiel Quader verschieben 1.6.5 Maßeinheiten und Koordinatensys. 1.6.6 Instanziierung mit DEF und USE 1.6.7 Flächen 1.6.8 Tunneln (Teleportation, Beamen) 1.6.9 Prototyping 1.6.10 VRML-Spezifikationen Teil 1 |
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2 Mechanik und Virtuelle Welten |
50 h |
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Kinematik
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2.1 Geschwindigkeit und Beschleunigung |
6 h |
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2.1.1 Geschwindigkeit 2.1.2 Beschleunigung 2.1.3 Geradlinige Bewegung 2.1.4 Geschwin. und Beschl. als Vektor 2.1.5 Schnell wie das Licht ? |
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2.2 Translation |
6 h |
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2.2.1 Freier Fall und senkrechter Wurf 2.2.2 Schiefer Wurf |
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2.3 Rotation |
6 h |
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2.3.1 Bewegung auf der Kreisbahn 2.3.2 Winkelgesch. & -beschl. als Vektor 2.3.3 Die Radialbeschleunigung |
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Kraft
und Masse
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2.4 Kräfte |
3 h |
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2.4.1 Eigenschaften von Kräften 2.4.2 Erstes Newtonsches Axion 2.4.3 Zweites Newtonsches Axion 2.4.4 Drittes Newtonsches Axion |
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2.5 Gewicht und Gravitation |
3 h |
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2.5.1 Gewichtskraft und träge Masse 2.5.2 Das Gravitationsgesetz 2.5.3 Das Gravitationsfeld |
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Arbeit,
Energie, Impuls
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2.6 Arbeit und Energie |
3 h |
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2.6.1 Mechanische Arbeit 2.6.2 Mechanische Leistung 2.6.3 Energie 2.6.4 Reibung und Wirkungsgrad |
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2.7 Impuls und Stoß |
3 h |
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2.7.1 Der Impuls 2.7.2 Unelastischer Stoß 2.7.3 Elastischer Stoß |
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Dynamik
der Drehbewegung
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2.8 Drehmoment |
2 h |
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2.8.1 Das Drehmoment 2.8.2 Gleichgewichtsbedingungen |
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2.9 Reale Körper |
2 h |
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2.9.1 Schwerpunkt 2.9.2 Trägheitsmoment 2.9.3 Drehimpuls |
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2.10 Trägheitskräfte |
2 h |
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2.10.1 Zentrifugalkraft 2.10.2 Corioliskraft |
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Flüssigkeiten
und Gase
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2.11 Eigenschaften von Flüssigk. & Gasen |
5 h |
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2.11.1 Allgemeines 2.11.2 Oberflächenspannung 2.11.3 Druck 2.11.4 Auftrieb |
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2.12 Strömungen |
3 h |
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2.12.1 Strömung inkompressibler Medien 2.12.2 Das Gesetz von Bernoull |
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Virtuelle
Welten
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2.13 Bewegung in virtuellen Welten |
6 h |
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2.13.1 Interaktion und Animation 2.13.2 Sensoren 2.13.3 Freier Fall 2.13.4 Animat.start mittels TouchSensor 2.13.5 Rotation 2.13.6 VRML und HTML 2.13.7 VRML-Spezifikationen Teil 2 |
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3 Waermelehre |
20 h |
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3.1 Wärmeausdehnung und -ausbreitung |
4 h |
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3.1.1 Temperatur 3.1.2 Wärmeausdehnung 3.1.3 Zustandsgleichung des idealen Gases 3.1.4 Wärmeausbreitung |
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3.2 Wärmeenergie |
4 h |
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3.2.1 Spezifische Wärme 3.2.2 Kinetische Wärmetheorie 3.2.3 Der Luftdruck 3.2.4 Der Boltzmann-Faktor |
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3.3 Änderung des Aggregatzustandes |
4 h |
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3.3.1 Schmelzen und Erstarren 3.3.2 Verdampfen und Kondensieren 3.3.3 Dämpfe |
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3.4 Zustandsänderung der Gase |
4 h |
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3.4.1 Erster Hauptsatz 3.4.2 Isochore und isobare Zustandsänderung 3.4.3 Isotherme Zustandsänderung 3.4.4 Adiabatische und polytrope Zustandsänderung 3.4.5 Reale Gase |
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3.5 Kreisprozesse |
4 h |
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3.5.1 Wärmekraftmaschinen 3.5.2 Kältemaschine und Wärmepumpe 3.5.3 Der Carnotsche Kreisprozeß 3.5.4 Der zweite Hauptsatz |
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4 Elektrizitätslehre |
25 h |
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4.1 Elektrostatik |
10 h |
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4.1.1 Das elektrische Feld 4.1.2 Arbeit im elektrischen Feld 4.1.3 Das Potential 4.1.4 Influenz 4.1.5 Kapazität 4.1.6 Kräfte und Energie im elektr. Feld 4.1.7 Materie im elektrischen Feld |
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4.2 Stromkreise |
7 h |
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4.2.1 Elektrische Grundgrößen 4.2.2 Der Gleichstromkreis |
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Elektrizitätsleitung
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4.2.3 Metalle und Halbleiter 4.2.4 Gase und Flüssigkeiten 4.2.5 Vakuum |
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4.3 Magnetismus und Induktion |
8 h |
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4.3.1 Das magnetische Feld 4.3.2 Elektromagnetische Induktion 4.3.3 Kräfte und Energie im Magnetfeld 4.3.4 Materie im Magnetfeld |
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Wechselstrom
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4.3.5 Entstehung des Wechselstromes 4.3.6 Widerstände im Wechselstromkreis |
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5 Schwingungen |
25 h |
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5.1 Harmonische Schwingungen |
7 h |
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5.1.1 Allgemeines 5.1.2 Analogie Kreis- zu Schwingung. 5.1.3 Kenngrößen der Schwingung 5.1.4 Die Schwingungsgleichung 5.1.5 Schwingungsenergie |
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5.2 Quasielastische Schwingungen |
4 h |
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5.2.1 Fluidschwingungen 5.2.2 Das Schwerependel 5.2.3 Elektromagnetische Schwingungen |
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5.3 Gedämpfte und erzwungene Schwing. |
4 h |
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5.3.1 Gedämpfte Schwingungen 5.3.2 Erzwungene Schwingungen 5.3.3 Elektrische Systeme |
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5.4 Sonstige Schwingungsformen |
4 h |
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5.4.1 Überlagerung von Schwingungen 5.4.2 Gekoppelte Schwingungssysteme 5.4.3 Andere Schwingungsformen |
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5.5 VRML-Scripting |
6 h |
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5.5.1 VRML-Scripting 5.5.2 Objektorientierung 5.5.3 Script-Knoten 5.5.4 JavaScript 5.5.5 Schwingungen 5.5.6 JAVA 5.5.7 VRML-Spezifikationen Teil 3 |
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Anhang |
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Zusatzaufgaben, Teil A |
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Präsenzveranstaltungen |
15 h |
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Summe |
150 h |
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Startseite |
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Systemeinstellungen überprüfen Technische Voraussetzungen |
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Wie nutze ich das Lernangebot erfolgreich? Begrüßung Was ist InfoPhysik? Download von Animationen |
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6 Wellen |
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6.1 Harmonische Wellen |
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6.1.1 Einführung 6.1.2 Die Wellengleichung 6.1.3 Eindimensionale elektromagnetische Welle 6.1.4 Wellen und Energie 6.1.5 Reflexion von Wellen 6.1.6 Überlagerung von Wellen |
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6.2 Akustik (Mechanische Wellen) |
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6.2.1 Dreidimensionale Wellen 6.2.2 Mechanische Wellen in kontinuierlichen Medien 6.2.3 Schall 6.2.4 Schallintensität und Schallpegel 6.2.5 Lautstärke und Hörempfinden 6.2.6 Schallsender und Empfänger 6.2.7 Absorption |
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6.3 Elektromagnetische Wellen |
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6.3.1 Die Maxwellschen Gleichungen 6.3.2 Der Hertzsche Oszillator 6.3.3 Energie und Intensität elektromagnetischer Wellen 6.3.4 Das elektromagnetische Spektrum 6.3.5 Lichtgeschwindigkeit und Polarisation |
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6.4 Lichtstrahlung |
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6.4.1 Temperaturstrahlung 6.4.2 Strahlungsgesetze 6.4.3 Fotometrie: Physikalische Größen 6.4.4 Physiologisch bewertete Größen 6.4.5 Farben |
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6.5 Geometrische Optik |
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6.5.1 Reflexion an ebenen Flächen 6.5.2 Reflexion an gekrümmten glatten Flächen 6.5.3 Brechung 6.5.4 Brechung an ebenen Grenzflächen 6.5.5 Brechung an gekrümmten Grenzflächen 6.5.6 Bildkonstruktion und Abbildungsgleichung 6.5.7 Kombinationen von Linsen 6.5.8 Das menschliche Auge 6.5.9 Optische Instrumente – die Kamera 6.5.10 Lupe und Mikroskop 6.5.11 Fernrohr und Projektor |
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6.6 Wellenoptik |
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6.6.1 Reflexion und Brechung 6.6.2 Dispersion 6.6.3 Beugung und Streuung 6.6.4 Polarisation 6.6.5 Interferenz 6.6.6 Der Dopplereffekt 6.6.7 Absorption |
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7 Aufbau der Materie |
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7.1 Wellen und Teilchen Dualismus |
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7.1.1 Die Teilchen einer Welle 7.1.2 Die Wellen der Teilchen 7.1.3 Quantenmechanik 7.1.4 Quantencomputer |
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7.2 Atomhülle |
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7.2.1 Bohrsches Atommodell 7.2.2 Wellenmodell der Atomhülle |
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7.3 Atomkerne |
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7.3.1 Natürliche Radioaktivität 7.3.2 Meßverfahren 7.3.3 Strahlenwirkung 7.3.4 Strahlenschutz 7.3.5 Aufbau und Umwandlung von Kernen 7.3.6 Freisetzung von Kernenergie |
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7.4 Festkörper |
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7.4.1 Kristalle 7.4.2 Bindungsarten 7.4.3 Elastizität |
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7.5 Elektrizitätsleitung |
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7.5.1 Energie-Bändermodell 7.5.2 Elektrische Leitung 7.5.3 Metallische Leiter 7.5.4 Isolatoren 7.5.5 Halbleiter 7.5.6 Supraleitung |
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7.6 Lumineszenz |
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8 Ergänzendes |
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8.1 Chaos und Fraktale |
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8.1.1 Chaotische Systeme 8.1.2 Entwicklung von Lebewesen in begrenzten Lebensräumen 8.1.3 Rückgekoppelte Systeme 8.1.4 Die Mandelbrotmenge 8.1.5 Chaotisches Pendel 8.1.6 Fraktale |
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8.2 Schall und Licht in virtuellen Welten |
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8.2.1 Die Welt des Schalls 8.2.2 Schall-Knoten in VRML 8.2.3 Standardbeleuchtung 8.2.4 Beleuchtungsknoten 8.2.5 Scheinwerfer 8.2.6 Beispiel: Leuchtturm |
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8.3 Praktikum |
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Zusatzaufgaben, Teil B |
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